C语言进阶:动态内存管理

目录

1. 为什么存在动态内存分配

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

2.2 calloc

2.3 realloc

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

3.2 对动态开辟空间的越界访问

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5 对同一块动态内存多次释放

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1:

4.2 题目2:

4.3 题目3:

4.4 题目4:

5. C/C++程序的内存开辟

6. 柔性数组 

6.1 柔性数组的特点及使用:

6.2 柔性数组的优势


1. 为什么存在动态内存分配


首先先看内存的划分:

C语言进阶:动态内存管理_第1张图片

我们已经掌握的内存开辟方式有:

int main()
{
	//已经掌握的内存开辟方式:
	int a = 10; //在栈空间上开辟四个字节
	char c = 'w';
	char arr[200] = { 0 };//在栈空间上开辟200个字节的连续空间
	int arr2[5] = { 0 };

	return 0;
}

但是上述的开辟空间的方式有两个特点:

1. 空间开辟大小是固定的。

2. 数组在申明的时候,必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。

但是对于空间的需求,不仅仅是上述的情况:有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道, 那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。 这时候就只能试试动态内存开辟了。

2. 动态内存函数的介绍


2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数:

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间起始地址的指针。其中size表示开辟多少个字节。需要头文件

① 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间起始地址的指针。

② 如果开辟失败,则返回一个NULL指针,因此malloc的返回值一定要做检查

③ 返回值的类型是 void* ,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用的时候使用者自己来决定。

④ 如果参数 size 为0,malloc的行为是标准是未定义的,取决于编译器。

C语言提供了另外一个函数free,专门是用来做动态内存的释放和回收的,函数原型如下:

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存,需要头文件

① 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的,那free函数的行为是未定义的。

② 如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。 

int main()
{
	//动态内存开辟
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)//判断的步骤很重要
	//如果返回值是一个空指针说明开辟空间失败了
	{
		perror("malloc"); //如果开辟空间的字节数大于int的最大值 则会显示: malloc: Not enough space
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 25; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}
		for (i = 0;i < 25; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i) = i);
		}
		//回收 - 释放 内存
		free(p);
		p = NULL; 
		//释放空间后,p的地址是没变的,所以需要让他变成空指针,防止非法访问
	}
	return 0;
}

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc , calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下:

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间,并且把空间的每个字节初始化为0。

如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间起始地址的指针,如果开辟失败,则返回一个NULL指针,所以也需要对返回值做检查。

与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 0;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i)); //0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活,有时会我们发现过去申请的空间太小了,有时候我们又会觉得申请的空间过大了,那为了合理的时候内存,我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。函数原型如下:

void* realloc (void* ptr, size_t size);

① ptr 是要调整的内存地址 

② size 是调整之后新大小 (字节)

③ 返回值为调整之后的内存起始位置。

④ 这个函数调整原内存空间大小的基础上,还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

⑤ realloc在调整内存空间的是存在两种情况:

情况1:原有空间之后有足够大的空间。要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间,原来空间的数据不发生变化。

情况2:原有空间之后没有足够大的空间。扩展的方法是:在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址

C语言进阶:动态内存管理_第2张图片

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 0;
	}
	//使用malloc开辟的空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	//调整该空间的大小
	int *ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc"); 
	}
	else
	{
		p = ptr; //让p指向该空间的起始地址
		ptr == NULL;
	}
	//能否直接用p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	//不建议这样,当内存开辟失败时,p直接变成了空指针,原来的空间都找不到了
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}

	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误


3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//如果此时内存开辟失败 则p为空指针*p则是对空指针的解引用操作
	*p = 0;
	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 0;
	}
	int i = 0;    
    //对动态开辟内存的越界访问
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++) //把开辟的10个int类型的空间访问完了以后,又向后访问了一个int类型的空间(越界访问)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

上述代码运行时会报错:

C语言进阶:动态内存管理_第3张图片

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

//对非动态内存开辟的释放
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);// err
	return 0;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//释放动态开辟内存空间的一部分 -err
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 0;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = 1;
		p++;
	}
	//此时p已经不再指向开辟空间的起始位置,而是指向开辟的第六个整型空间
	free(p); //err
	p == NULL;
	return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

//对同一块动态开辟的内存多次释放
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	//...
	free(p);//重复释放 err
	
	//但如果每一次free后,都把p置为空指针,则至少不会报错(free(NULL)什么都不会发生)
	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(12);
	if (p == NULL)
		return;
	if (1)
		return;
	//当p为空指针或if条件成立时,test函数就已经结束了,空间并没有得到释放
	free(p);
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

所以我们要求:malloc、calloc、realloc与free应该成对出现。(这样也并不能完全避免内存泄露,如上述代码)

4. 几个经典的笔试题


4.1 题目1:

//下述代码输出什么结果?
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	//问题2 : 缺乏free
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	//问题1 : 当实参传给形参时,形参实际上是实参的一份临时拷贝,对p的赋值并不会影响str
	strcpy(str, "hello world"); 
	printf(str); //什么也不会打印
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

正确的写法:

//正确的代码1:

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

//正确的代码2:

char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.2 题目2:

//下面代码输出什么结果
char* GetMemory(void)
{
	//经典问题 - 返回栈空间地址的问题
	char p[] = "hello world";
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	//数组p是一个局部数组,进入该该函数时创建,出函数时,就销毁了
	//此时用str记住地址是没有意义的,是一个野指针
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.3 题目3:

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
	//代码唯一的问题是内存泄露的问题
	//改正则需把str释放即可
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//修改:
	//free(str);
	//str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.4 题目4:

//下面代码有什么问题,输出结果是多少?
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	//free是把申请的空间还给操作系统,而不会把str置空
	//str仍指向之前的地址 
	//释放后再使用,本身就是非法访问,程序可以正常执行也不能说明这是一个正确的代码
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "wolrd");
		printf(str); //world
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5. C/C++程序的内存开辟


C/C++程序内存分配的几个区域:

1. 栈区(stack):在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。

2. 堆区(heap):一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。

3. 数据段(静态区)(static)存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放

4. 代码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。

有了这些知识,我们就可以更好的理解在《C语言笔记》中的static关键字修饰局部变量的例子了:

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的,栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。 但是被static修饰的变量存放在数据段(静态区),数据段的特点是在上面创建的变量,直到程序 结束才销毁,所以生命周期变长。

6. 柔性数组 


也许你从来没有听说过柔性数组(flexible array)这个概念,但是它确实是存在的。 C99 中,结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组,这就叫做『柔性数组』成员。

 例如:

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成:

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}type_a;

6.1 柔性数组的特点及使用:

① 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员

② sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存

包含柔性数组成员的结构用malloc () 函数进行内存的动态分配,并且分配的内存应该大于结构的大小,以适应柔性数组的预期大小。

//代码1
struct S
{
	int num;
	char arr[]; //该数组则为柔型数组
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S)); //4 
	//计算大小时,不用考虑柔型数组的大小
	
	/*struct S s; //不能这样创建,因为这样创建,该结构的大小就是4 */
	struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 6);
	//"柔型"体现在: 如果觉得arr空间小了,那么用realloc对该结构进行调整,arr的大小相应会发生变化
	p->num = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 6; i++)
	{
		p->arr[i] = 'a' + i;
	}
	for (i = 0; i < 6; i++)
	{
		printf("%c\n", p->arr[i]); //a b c d e f
	}
	//如果觉得arr空间不够了,用realloc调整
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(p, 14);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	//开辟成功,开始使用
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p->arr[i] = 'x';
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%c\n", p->arr[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

6.2 柔性数组的优势

上述代码也可以设计为:

//代码2
struct S2
{
	int num;
	char* arr;
};

int main()
{
	struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2));
	ps->num = 100;
	ps->arr = (char*)malloc(6 * sizeof(char));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 6; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'a' + i;
	}
	for (i = 0; i < 6; i++)
	{
		printf("%c ", ps->arr[i]);
	}
	//增容
	char* ptr = realloc(ps->arr, 10);
	if (ptr != NULL)
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'x';
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%c ", ps->arr[i]);
	}
	//回收时,先回收arr再回收ps
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能,但是 代码1 的实现有两个好处:

第一个好处是:方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人用的函数中,我们在里面做了二次内存分配,并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体,但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free,所以不能指望用户来发现这个事。所以,如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了,并返回给用户一个结构体指针,用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。

第二个好处是:这样有利于访问速度

连续的内存有益于提高访问速度,也有益于减少内存碎片。

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